本發(fā)明涉及陶瓷纖維材料，具體涉及一種雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷纖維膜屬于一種無(wú)機(jī)纖維膜，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)常被用做高性能的過(guò)濾材料。和有機(jī)纖維膜相比，陶瓷纖維膜熱穩(wěn)定性好、體積密度小、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、阻燃特性以及優(yōu)異的隔熱性能，使其在冶煉、垃圾焚燒、煙氣凈化等高溫過(guò)濾領(lǐng)域表現(xiàn)良好的應(yīng)用前景。

2、莫來(lái)石是一種由鋁硅酸鹽組成的礦物，化學(xué)式一般表示為3al2o3·2sio2或2al2o3·sio2。它具有耐火性、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性等特點(diǎn)，使其在耐火材料、航空航天、軍工以及冶金等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3、莫來(lái)石纖維是由一種莫來(lái)石相構(gòu)成的耐高溫陶瓷纖維，具有優(yōu)良的高溫抗蠕變性能、抗腐蝕性能、輕質(zhì)、柔軟、隔熱以及可加工性，使其成為許多高溫應(yīng)用中不可或缺的材料。

4、莫來(lái)石纖維膜可以利用基體纖維浸漬法制備，此方法工藝簡(jiǎn)單、容易推廣，但是生產(chǎn)成本較高，且所得到的纖維質(zhì)量較差。莫來(lái)石纖維膜也可以利用靜電紡絲技術(shù)制備。

5、靜電紡絲是一種生產(chǎn)纖維和纖維網(wǎng)的常用技術(shù)，其方法是對(duì)紡絲溶液施加高壓，在靜電紡絲過(guò)程中，溶液帶電并克服其表面張力，在針尖形成泰勒錐，隨后以噴射形式向接地板或旋轉(zhuǎn)收集器拉伸。靜電紡絲可生產(chǎn)連續(xù)的纖維組件，如纖維膜、排列整齊和圖案化的纖維網(wǎng)，以及由長(zhǎng)纖維多次疊加而成的隨機(jī)三維結(jié)構(gòu)。利用靜電紡絲技術(shù)制備莫來(lái)石納米纖維的生產(chǎn)效率高以及能制備直徑在納米范圍內(nèi)(50-1000nm)的纖維、純度高、成本低、連續(xù)性強(qiáng)，而且相對(duì)容易排列、組裝和加工應(yīng)用。但是，靜電紡絲技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求高需外加電場(chǎng)存在一定的實(shí)驗(yàn)安全隱患，且靜電紡絲制備的納米纖維產(chǎn)量低，難以實(shí)現(xiàn)納米纖維的批量生產(chǎn)，從而大大阻礙了納米纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。

6、溶液噴射紡絲是一種以壓縮氣體為驅(qū)動(dòng)力的纖維生產(chǎn)技術(shù)，源于靜電紡絲與傳統(tǒng)熔噴技術(shù)的結(jié)合。與靜電紡絲相比，溶液噴射紡絲技術(shù)不需要高壓靜電場(chǎng)的作用，因此更加安全，對(duì)設(shè)備的要求也更低。無(wú)論哪種紡絲技術(shù)制備的莫來(lái)石纖維膜的過(guò)濾性能很受纖維直徑的限制。纖維直徑大，莫來(lái)石纖維膜對(duì)污染顆粒物的攔截作用差，過(guò)濾效率低。纖維直徑小，纖維膜對(duì)氣體的阻力大，使用過(guò)程中消耗更多能源，造成能源浪費(fèi)。相關(guān)研究學(xué)者通過(guò)增加纖維膜厚度的方式來(lái)解決這一問(wèn)題，這種方法會(huì)造成成本大量增加，同樣造成資源浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：基于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜及其制備方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面提供一種制備雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜的方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)對(duì)聚乙烯醇、羥丙基甲基纖維素、去離子水進(jìn)行第一攪拌，得到聚合物模板溶液a；

4、另取聚乙烯醇、羥丙基甲基纖維素、去離子水進(jìn)行第二攪拌，得到聚合物模板溶液b；

5、(2)將硅源、鋁源、醋酸水溶液進(jìn)行第三攪拌，得到前驅(qū)體溶液；所述硅源為正硅酸四乙酯，所述鋁源為質(zhì)量比為0.5：1～2：1的異丙醇鋁和九水合硝酸鋁；

6、(3)將所述前驅(qū)體溶液、所述聚合物模板溶液a進(jìn)行第四攪拌，得到紡絲液a；

7、將所述前驅(qū)體溶液、所述聚合物模板溶液b進(jìn)行第四攪拌，得到紡絲液b；

8、(4)同時(shí)將所述紡絲液a、所述紡絲液b注入溶液噴射紡絲設(shè)備上進(jìn)行溶液噴射紡絲處理，得到前驅(qū)體纖維膜；所述溶液噴射紡絲處理的條件滿足：氣流壓力為10～25kpa，紡絲液擠出速度為2～6ml/h，紡絲接收距離為55～75cm，收集滾筒的轉(zhuǎn)速為400rpm，往復(fù)速度為3.3cm/s，環(huán)境濕度≤30％，環(huán)境溫度為25℃；

9、(5)對(duì)所述前驅(qū)體纖維膜進(jìn)行煅燒處理，得到雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜。

10、優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述聚乙烯醇、所述羥丙基甲基纖維素的用量比為1：1。

11、進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述聚乙烯醇、所述去離子水的用量比為1：10或1：6。

12、優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述第一攪拌和所述第二攪拌的條件的至少滿足：溫度為50～80℃，時(shí)間為2～5h。

13、優(yōu)選情況下，在步驟(2)中，所述硅源和所述鋁源中，硅元素和鋁元素的摩爾比為1：3。

14、優(yōu)選地，在步驟(2)中，所述醋酸水溶液的ph值為2～4。

15、優(yōu)選地，在步驟(2)中，相對(duì)于0.9g正硅酸四已酯，所述醋酸水溶液的用量為6ml，或相對(duì)于1.8g正硅酸四已酯，所述醋酸水溶液的用量為12ml。

16、優(yōu)選情況下，在步驟(3)中，在所述紡絲液a中，所述前驅(qū)體溶液中的正硅酸四乙酯與所述聚合物模板溶液a中的聚乙烯醇的質(zhì)量比為3：2。

17、進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(3)中，在所述紡絲液b中，所述前驅(qū)體溶液中的正硅酸四乙酯與所述聚合物模板溶液b中的聚乙烯醇的質(zhì)量比為9：10。

18、優(yōu)選地，在步驟(4)中，所述紡絲液a與所述紡絲液b的用量體積比為1：1。

19、進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(4)中，所述紡絲液a或所述紡絲液b的用量為10～20ml。

20、優(yōu)選地，在步驟(4)中，所述溶液噴射紡絲處理的條件滿足：氣流壓力為20kpa，紡絲液擠出速度為3ml/h，紡絲接收距離為60cm，收集滾筒的轉(zhuǎn)速為400rpm，往復(fù)速度為3.3cm/s，環(huán)境濕度≤30％，環(huán)境溫度為25℃。

21、優(yōu)選情況下，在步驟(5)中，所述煅燒處理的條件至少滿足：以2～5℃/min的速率升溫至1100℃，并在此溫度保溫30～120min。

22、本發(fā)明的第二方面提供由本發(fā)明第一方面所述的方法制備得到的雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜，所述雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜中含有莫來(lái)石纖維i和莫來(lái)石纖維ii，且所述莫來(lái)石纖維i的平均直徑為186nm，所述莫來(lái)石纖維ii的平均直徑為606nm，且所述雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜的面密度為3.8～7.1mg/cm2。

23、本發(fā)明提供的雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜及其制備方法至少具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明提供的雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜可折疊、可彎曲，且能夠在1200℃的高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用，組成纖維膜的莫來(lái)石纖維平均直徑為186nm和606nm。

25、(2)本發(fā)明提供的雙尺度莫來(lái)石納米纖維膜，當(dāng)平均密度為3.8mg/cm2時(shí)，在32l/min的氣流速度下，對(duì)pm0.3的過(guò)濾效率為98.23％，壓降為141pa。

26、(3)聚合物作為模板，含量低，紡絲液黏度小，紡絲液的可紡性差；含量高，紡絲液黏度大，纖維直徑大，則纖維膜的過(guò)濾效率受限。對(duì)于聚合物模版，本發(fā)明采用羥丙基甲基纖維素衍生物替代部分傳統(tǒng)聚合物，來(lái)調(diào)節(jié)纖維直徑，降低紡絲液黏度時(shí)，使得紡絲液的可紡性不受影響，且能夠利用溶液噴射紡絲制備直徑范圍更廣的莫來(lái)石纖維，便于根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)節(jié)纖維直徑。

27、(4)針對(duì)提高纖維膜的過(guò)濾性能，傳統(tǒng)方法提高過(guò)濾效率的同時(shí)，會(huì)增加能源或成本。本發(fā)明通過(guò)采用粗細(xì)纖維交錯(cuò)搭配的設(shè)計(jì)理念，提高過(guò)濾效率的同時(shí)，減少能源消耗降低生產(chǎn)成本，其中，細(xì)纖維起到攔截污染物顆粒的作用，粗纖維抑制纖維膜的致密化，減少過(guò)濾過(guò)程中產(chǎn)生的阻力。